Optimization of design and operation of synergetic heating and cooling networks based on the energy hub concept

Dans le présent travail, un modèle de « hub énergétique » a été utilisé pour concevoir des réseaux combinés de chauffage et de refroidissement afin de bénéficier des synergies potentielles. Les réseaux de chauffage et de refroidissement font partie intégrante de divers bâtiments, campus ou villes. Le concept de réseau thermique intelligent et de « hub énergétique » plaide en faveur de l'intégration thermique pour bénéficier des synergies potentielles et faciliter l'utilisation des sources d'énergie renouvelables. Dans ce système intégré, les pompes à chaleur peuvent être utilisées pour récupérer la chaleur de la boucle de refroidissement et la fournir à la boucle de chauffage. La récupération de la chaleur résiduelle peut aider à réduire les coûts d'exploitation et les émissions de gaz à effet de serre. Les charges de chauffage et de refroidissement du réseau peuvent être satisfaites par des chaudières au gaz naturel, des radiateurs électriques, des refroidisseurs et des pompes à chaleur. La conception du système et son fonctionnement ont été optimisés en termes de coût et d'émissions de gaz à effet de serre sous différentes combinaisons de charges de chauffage et de refroidissement. Les configurations de hub optimisées pour les scénarios avec et sans récupération de chaleur perdue ont été comparées, montrant que les pompes à chaleur étaient bénéfiques dans tous les scénarios. La capacité optimale des pompes à chaleur pour minimiser le coût total s'est avérée être d'environ 80% de la valeur maximale possible à partir d'une analyse thermodynamique des charges. La minimisation simultanée des coûts et des émissions a révélé une transition relativement nette du chauffage au gaz au chauffage électrique, car l'accent est davantage mis sur les émissions que sur les coûts, mais dans tous les cas, la récupération de la chaleur perdue avec des pompes à chaleur a été largement utilisée pour satisfaire les charges de chauffage et de refroidissement. Ensuite, en gardant le même cadre conçu ci-dessus, une méthode a été développée pour indiquer comment les unités de stockage d'énergie thermique (SET) peuvent contribuer à réduire le coût total d'un réseau thermique. Nous avons développé une méthode montrant comment les unités SET, couplées à des pompes à chaleur, peuvent contribuer à réduire le coût total d'un réseau thermique. Un modèle d'optimisation est introduit, basé sur un modèle de hub énergétique comprenant des chaudières au gaz naturel, des radiateurs électriques et des refroidisseurs. Pour différents profils de charge, les réseaux thermiques intégrant des pompes à chaleur seules, SET seules ou une combinaison des deux sont comparés à un hub de référence sans intégration thermique. Il a été constaté que l'inclusion à la fois du SET et des pompes à chaleur génère plus de bénéfices que lorsqu'elles sont utilisées séparément, étendant l'utilisation synergique des pompes à chaleur pour satisfaire à la fois les charges de chauffage et de refroidissement. De plus, l'intérêt du SET lorsque les composants du système(refroidisseur ou chaudière) sont sous-dimensionnés est évalué. Il a été observé que dans ces cas, le SET contribue à satisfaire les demandes thermiques. Cependant, en raison de la configuration du système, il existe une limite de sous-dimensionnement du refroidisseur que les unités SET peuvent compenser. Ensuite, l'influence du fonctionnement à charge partielle des dispositifs du hub énergétique a été étudiée pour le même hub énergétique. Dans la pratique, l'efficacité à charge partielle des équipements tels que les refroidisseurs, les chaudières et les pompes à chaleur doit être prise en compte dans la conception et le contrôle des réseaux de chauffage et de refroidissement car elle peut fortement affecter leurs performances globales. Cependant, les modèles d'optimisation tels que les hubs énergétiques considèrent généralement des efficacités constantes en raison du défi de mettre en œuvre l'efficacité à charge partielle dans de tels modèles. Par conséquent, l'impact des courbes d'efficacité à charge partielle sur les résultats d'optimisation des hubs énergétiques n'est souvent pas clair, en particulier lorsque plusieurs appareils sont inclus. Dans ce travail, le coût total sur la vie d'un système de réseaux combinés de chauffage et de refroidissement a été optimisé sur la base d'un hub énergétique dans lequel des dispositifs d'efficacité à charge partielle (chaudières à gaz naturel, radiateurs électriques, refroidisseurs électriques et pompes à chaleur) ont été modélisés. Le modèle a été linéarisé et étudié sous différentes combinaisons de charges thermiques. Une méthode itérative a été développée pour optimiser la conception et l'exploitation du pôle énergétique dans ce contexte. Pour déterminer l'impact des efficacités à charge partielle, chaque appareil a été examiné individuellement tandis que l'efficacité des autres appareils est restée constante. L'erreur résultant de l'hypothèse d'un rendement constant a ensuite été calculée sur la base d'un hub de référence avec des rendements constants. Les résultats ont indiqué une erreur maximale sur le coût total de 1,85 %, 0,6 % et 0,16 % en supposant un rendement constant pour les chaudières, les refroidisseurs et les pompes à chaleur respectivement. Les charges pour lesquelles ces erreurs maximales se produisent ont ensuite été choisies pour optimiser le hub avec tous les appareils modélisés avec une courbe d'efficacité à charge partielle. Les erreurs ont augmenté à 1,9 %, 0,71 % et 1.49 %, respectivement. Enfin, le potentiel de récupération de chaleur perdue (WHR) d'un atelier de fabrication a été évalué. Dans un premier temps, les sources de chaleur résiduelle ont été identifiées et évaluées, ce qui a conduit à la préparation d'une carte de chaleur résiduelle pour l'entreprise. Par la suite, trois principales méthodes de récupération de la chaleur ont été choisies et analysées pour l'usine. Pour les étés, la possibilité de remplacer les refroidisseurs actuels de bureaux par un refroidisseur à absorption simple effet de 52 kW a été étudiée, ce qui coûterait 8,000 CAD de plus que les refroidisseurs actuels sur 20 ans. Pour les hivers, le flux de chaleur résiduelle conditionné peut être utilisé à des fins de chauffage local au lieu d'utiliser les systèmes de chauffage électrique actuellement utilisés, ce qui permettrait d'économiser environ 110,000 CAD sur 20 ans. Pour le reste de l'année, la consommation interne d'eau chaude de l'entreprise peut être fournie en utilisant un chauffe-eau hybride (WHR+ électricité), ce qui permettrait d'économiser environ 2,000 CAD sur la même période.In the present work, an "energy hub" template was employed to design combined heating and cooling networks to benefit from potential synergies. Heating and cooling networks are integral components of various buildings, campuses, or cities. The concept of smart thermal grid and "energy hub" argue in favor of thermal integration to benefit from potential synergies and facilitate the use of renewable energy sources. In this integrated system, heat pumps can be used to recover heat from the cooling loop and supply it to the heating loop. Waste heat recovery can help reducing operation costs and greenhouse gas emissions. Heating and cooling loads of the network can be satisfied by natural gas boilers, electric heaters, chillers, and heat pumps. The design of the system and its operation were optimized with respect to cost and greenhouse gas emissions under different combinations of heating and cooling loads. The optimized hub configurations for scenarios with and without waste heat recovery were compared, showing that heat pumps were beneficial in all scenarios. The optimal capacity of heat pumps to minimize total cost was found to be ~80% of the maximal possible value from a thermodynamic analysis of the loads. The simultaneous minimization of cost and emissions revealed a relatively sharp transition from gas to electric heating as more emphasis is put on emissions than cost, but in all cases, waste heat recovery with heat pumps was heavily used to satisfy the heating and cooling loads. Next, keeping the same framework designed above, a method was developed to indicate how thermal energy storage (TES) units can contribute to reduce the total cost of a thermal grid. We developed a method showing how TES units, coupled with heat pumps, can contribute to reducing the total cost of a thermal grid. An optimization model is introduced, based on an energy hub model including natural gas boilers, electric heaters, and chillers. For different load profiles, thermal grids integrating heat pumps alone, TES alone, or a combination of both are compared to a reference hub with no thermal integration. It was found that the inclusion of both TES and heat pumps together results in more profits than when they are used separately, extending the synergic use of the heat pumps to satisfy both heating and cooling loads. Furthermore, the benefit of TES when components of the system (chiller or boiler) are under-sized is assessed. It was observed that in these cases, TES contributes to satisfying the thermal demands. However, due to the configuration of the system, there is a limit of chiller under-sizing that TES units can compensate. Then, the influence of part-load operation of energy hub devices was studied for the same energy hub. In practice, part-load efficiency of equipment such as chillers, boilers, and heat pumps need to be taken into account in the design and control of heating and cooling networks as it can strongly affect their overall performance. However, optimization models such as energy hubs usually consider constant efficiencies due to the challenge of implementing part-load efficiency in such models. Therefore, the impact of part-load efficiency curves on energy hub optimization results is often unclear, in particular when multiple devices are included. In this work, the lifetime cost of a combined heating and cooling networks system was optimized based on an energy hub in which part-load efficiency devices (natural gas boilers, electric heaters, electric chillers, and heat pumps) were modeled. The model was linearized and studied under different combinations of thermal loads. An iterative method was developed to optimize the design and operation of the energy hub in this context. To determine the impact of part-load efficiencies, each device was individually examined while the efficiency of other devices remained constant. The error resulting from assuming a constant efficiency was then calculated based on a reference hub with constant efficiencies. The results indicated a maximum error on the total cost of 1.85%, 0.6%, and 0.16% by assuming constant-efficiency for the boilers, chillers, and heat pumps respectively. The loads for which these maximum errors occur were then chosen to optimize the hub with all devices modeled with a part-load efficiency curve. The errors increased to 1.9%, 0.71%, and 1.49%, respectively. Finally, the waste heat recovery (WHR) potential of a manufacturing workshop was assessed. First, the sources of waste heat were identified and evaluated, leading to preparation of a waste heat map for the company. Subsequently, three main WHR methods were chosen and analyzed for the plant. In the summer, the possibility of replacing the current office chillers with a 52 kW single-effect absorption chiller was investigated, which would cost 8,000 CAD more than the present chillers over 20 years. For winters, t waste heat can be used for local heating purposes instead of using the electric heating systems currently used, which would save approximately 110,000 CAD over 20 years. For the rest of the year, the internal hot water consumption for the company can be supplied by using a hybrid (WHR + electricity) water heater, which would save around 2,000 CAD over the same period

Dynamic conversion of solar generated heat to electricity

The effort undertaken during this program led to the selection of the water-superheated steam (850 psig/900 F) crescent central receiver as the preferred concept from among 11 candidate systems across the technological spectrum of the dynamic conversion of solar generated heat to electricity. The solar power plant designs were investigated in the range of plant capacities from 100 to 1000 Mw(e). The investigations considered the impacts of plant size, collector design, feed-water temperature ratio, heat rejection equipment, ground cover, and location on solar power technical and economic feasibility. For the distributed receiver systems, the optimization studies showed that plant capacities less than 100 Mw(e) may be best. Although the size of central receiver concepts was not parametrically investigated, all indications are that the optimal plant capacity for central receiver systems will be in the range from 50 to 200 Mw(e). Solar thermal power plant site selection criteria and methodology were also established and used to evaluate potentially suitable sites. The result of this effort was to identify a site south of Inyokern, California, as typically suitable for a solar thermal power plant. The criteria used in the selection process included insolation and climatological characteristics, topography, and seismic history as well as water availability

Supervisory model predictive control of building integrated renewable and low carbon energy systems

To reduce fossil fuel consumption and carbon emission in the building sector, renewable and low carbon energy technologies are integrated in building energy systems to supply all or part of the building energy demand. In this research, an optimal supervisory controller is designed to optimize the operational cost and the CO2 emission of the integrated energy systems. For this purpose, the building energy system is defined and its boundary, components (subsystems), inputs and outputs are identified. Then a mathematical model of the components is obtained. For mathematical modelling of the energy system, a unified modelling method is used. With this method, many different building energy systems can be modelled uniformly. Two approaches are used; multi-period optimization and hybrid model predictive control. In both approaches the optimization problem is deterministic, so that at each time step the energy consumption of the building, and the available renewable energy are perfectly predicted for the prediction horizon. The controller is simulated in three different applications. In the first application the controller is used for a system consisting of a micro-combined heat and power system with an auxiliary boiler and a hot water storage tank. In this application the controller reduces the operational cost and CO2 emission by 7.31 percent and 5.19 percent respectively, with respect to the heat led operation. In the second application the controller is used to control a farm electrification system consisting of PV panels, a diesel generator and a battery bank. In this application the operational cost with respect to the common load following strategy is reduced by 3.8 percent. In the third application the controller is used to control a hybrid off-grid power system consisting of PV panels, a battery bank, an electrolyzer, a hydrogen storage tank and a fuel cell. In this application the controller maximizes the total stored energies in the battery bank and the hydrogen storage tank

IEA ECES Annex 31 Final Report - Energy Storage with Energy Efficient Buildings and Districts: Optimization and Automation

At present, the energy requirements in buildings are majorly met from non-renewable sources where the contribution of renewable sources is still in its initial stage. Meeting the peak energy demand by non-renewable energy sources is highly expensive for the utility companies and it critically influences the environment through GHG emissions. In addition, renewable energy sources are inherently intermittent in nature. Therefore, to make both renewable and nonrenewable energy sources more efficient in building/district applications, they should be integrated with energy storage systems. Nevertheless, determination of the optimal operation and integration of energy storage with buildings/districts are not straightforward. The real strength of integrating energy storage technologies with buildings/districts is stalled by the high computational demand (or even lack of) tools and optimization techniques. Annex 31 aims to resolve this gap by critically addressing the challenges in integrating energy storage systems in buildings/districts from the perspective of design, development of simplified modeling tools and optimization techniques

Estudio de sensibilidad de parámetros en el diseño y dimensionado de centros de producción de energía

Ante las crecientes preocupaciones acerca de las emisiones de CO2, los sistemas energéticos urbanos (DE) se presentan como una solución para la decarbonización de las economías. Dado que no existe una metodología sistemática para el diseño de DE, este TFM presenta el modelo ECS (formulación MILP), capaz de determinar la combinación óptima de tecnologías centralizadas así como su operación para unos determinados requerimientos energéticos. Dicho modelo es aplicado para evaluar la influencia de diferentes parámetros en la operación y diseño de centros energéticos, tomando un caso práctico (este de Londres) como referencia. Se demuestra la importancia de la exportación de electricidad para la viabilidad económica del sistema además de la no-rentabilidad de calderas de biomasa o HP en ausencia de RHI. Las emisiones carbónicas y el área requerido por el centro pueden reducirse respectivamente hasta un 50% y 20% comprometiendo el beneficio anual tan solo un 15% y un 2%.Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio AmbienteMáster en Ingeniería Químic

Optimal design and operation of maritime energy systems based on renewable methanol and closed carbon cycles

The phasing out of fossil fuels in the shipping sector is of key importance for reducing greenhouse gas emissions. Synthetic fuels based on renewable energy are a promising option for a sustainable maritime sector, with renewable methanol being one of the most widely considered energy carriers. However, the availability of renewable methanol is still limited and the costs associated with it are significantly higher than for conventional fuels, also because fuel synthesis must rely on carbon dioxide as a resource. Through the use of onboard carbon capture, the release of carbon dioxide during combustion can be avoided, and this closed cycle reduces the need for carbon sources. This paper investigates such a scenario by analyzing overall ship energy systems that use internal combustion engines with connected pre-combustion and post-combustion carbon capture technologies. The effect of these technologies on the techno-economic performance of a fully renewable energy system is investigated by setting up a mixed-integer optimization framework for the optimal design and operation of ship propulsion systems. The propulsion demand for the chosen case study consists of a typical operational profile of a ferry operating in the Baltic Sea. Comparison of the capture cases to a system solely based on renewable methanol reveals significant cost advantages of the closed carbon cycle systems. The baseline scenario has nearly 20% lower annual costs, with total capture rates of 90% in the post-combustion case and around 40% in the pre-combustion case. An extensive sensitivity analysis shows that these cost advantages are robust against various technological and economic boundary conditions. In the pre-combustion case, process heat demand reduction in combination with increased engine heat supply might enable higher capture rates beyond 90%. The results indicate that combining renewable fuels with onboard carbon capture creates opportunities for cost-effective, sustainable shipping